Atomchip-Stromverteiler und Sicherung

Abbildung 2.12.: Aufnahme der Platine zur Chip-Stromverteilung und Sicherung.

Der Atomchipaufbau verfügt über ins-gesamt 30 Anschlüsse und eine Fülle an unterschiedlichen Geometrien, welche zum Fangen und Manipulieren der ato-maren Ensembles verwendet werden kön-nen. Da der verfügbare Raum innerhalb der Katapultkapsel sehr begrenzt ist, kön-nen nicht beliebig viele Stromtreiber ein-gesetzt werden. Weil zum Schalten ei-ner H-Geometrie (s. Kapitel 5) insgesamt drei Stromtreiber notwendig sind, wurden sechs Stromtreiber in der Katapultkapsel verbaut. Somit ist es zum Beispiel mög-lich, sukzessiv von einer H-Geometrie in eine weitere umzuladen. Damit dennoch die Fülle an möglichen Geometrien

ge-nutzt werden können, wurde am Institut für Quantenoptik eine Stromverteiler-Platine (s. Abb. 2.12) entwickelt, welche es ermöglicht, jeden Stromtreiber ge-zielt für den Einsatz der gewünschten Geometrie computergestützt zu schalten.

Diese Platine besitzt 24 vordefinierte Szenarien, von denen jeweils zwei gleich-zeitig geschaltet werden können. Tabelle 2.2 fasst diese 24 Szenarien zusammen und weist ihnen die geschalteten Stromtreiber zu. Möchte man zum Beispiel zu-nächst die MOT laden, so aktiviert man Szenario 2. Zum anschließenden Fan-gen der Atome in der ersten kombinierten Falle aus dem mesoskopischen H mit dem äußeren Z des Basischips, schaltet man Szenario 1 und 10. Für den suk-zessiven Transfer der Atome in z. B. das äußere Z des Experimentchips werden die Stromtreiber des mesoskopischen Hs abgeschaltet. Die Atome sind nun in der reinen Basischipfalle gefangen. Anschließend schaltet man Szenario 1 aus und wählt stattdessen 21. Letztlich schaltet man den Stromtreiber Nummer 5 und das Szenario 10 aus. Alle Atome wurden somit von der MOT in die äußere Z-Falle des Experimentchips überführt.

Die zweite wichtige Aufgabe dieser Platine ist der Schutz des Atomchipaufbaus.

Dabei wird zunächst die Stromstärke jedes Ausganges überwacht. Übersteigt die Stromstärke einen vorher definierten Wert, so trennt der Stromverteiler alle Verbindungen zum Atomchipaufbau. Eine weitere Schutzfunktion ist eine

Zeit-2.5. Elektronik

Geometrie # Strom1 Strom2 Strom3 Strom4 Strom5 Strom6

Meso-H 1 X X X

Meso-U 2 X

BC-H-außen 3 X X X

BC-H-außen II 4 X X X

BC-H-innen 5 X X X

BC-H-innen II 6 X X X

BC-U-außen 7 X

BC-U-außen II 8 X

BC-U-innen 9 X

BC-Z-außen 10 X

BC-Z-innen 11 X

BC-Z-innen II 12 X X

EC-H-außen 13 X X X

EC-H-außen II 14 X X X

EC-H-innen 15 X X X

EC-H-innen II 16 X X X

EC-U-außen 17 X

EC-U-außen II 18 X

EC-U-innen 19 X

EC-U-innen II 20 X EC-Z-außen 21 X

EC-Z-innen 22 X

EC mod 23 X X X

EC mod II 24 X X X

Frei I 25 Frei II 26

Tabelle 2.2.:Zuweisungstabelle des Atomchip-Stromverteilers. Die sechs im Experiment ver-bauten Stromtreiber (Strom1 - Strom6) werden den 26 Szenarien zugewiesen.

Hierbei können sowohl die mesoskopischen Strukturen (Meso-U und Meso-H), als auch der Basischip (BC) und der Experimentchip (EC) angesteuert werden.

Szenario 25 und 26 sind noch frei wählbar.

überwachung des Stromflusses. Wird ein Strom in einem Atomchip initialisiert, so unterbricht die Sicherung diesen Stromfluss, sobald die eingestellte erlaubte Dauer überschritten ist. Anschließend unterbindet der Stromverteiler jeglichen weiteren Stromfluss durch diesen Chip für eine vorher gewählte Dauer. Sollte einer dieser Fehler aufgetreten sein, so sperrt der Stromverteiler, bis der durch betätigen eines Tasters wieder freigeschaltet wird. Im Betrieb am Fallturm kann diese Freischaltung auch mittels eines Digitalsignals erfolgen.

Bei Abgabe dieser Dissertation befand sich der eben beschriebene Stromvertei-ler im Einbau in das Experiment. Zuvor wurde die durch den Atomchipaufbau fließende Stromstärke mittels Stromwandler gemessen und bei überschreiten ei-ner vorher eingestellten maximalen Stromstärke der Stromfluss mittels Relais unterbrochen. Diese Variante der Sicherung beinhaltet ebenfalls eine Zeitüber-wachung. Ein computergestütztes Schalten der Stromwege war mit dieser Si-cherung jedoch nicht möglich.

2.5.3. Frequenzkette

Da die Hyperfeinaufspaltung von Rubidium ungefähr 6,8 GHz beträgt, führt das hier vorgestellte Schema zur Stabilisierung der Laserfrequenzen zu Schwebungs-frequenzen in diesem Frequenzbereich. Für die Erzeugung dispersiver Fehlersi-gnale aus solch hohen Frequenzen stehen jedoch keine Elektronikkomponenten zur Verfügung. Daher muss das Signal in der Frequenz zunächst in ein niedri-geres Frequenzband konvertiert werden. Hierzu dient die hier vorgestellte Fre-quenzkette (s. Abb. 2.13).

Abbildung 2.13.:Verarbeitung der Schwebungssignale zur Stabilisierung der Rubidium-Laserfrequenzen. Die gemessenen Schwebungssignale werden mit einer hoch-stabilen Referenzfrequenz von 6,9 GHz heruntergemischt. Diese Signa-le werden je an einen Frequenz-zu-Spannung-Konverter weitergeSigna-leitet, wel-cher ein dispersives Fehlersignal zur Stabilisierung der Laserfrequenzen er-zeugt.

2.5. Elektronik

Ein Frequenzgenerator basierend auf der direkten digitalen Synthese (s. An-hang A) erzeugt ein stabiles Signal bei 100 MHz, welches an einen speziell für den Einsatz in der QUANTUS-II-Apparatur entwickelten Frequenzvervielfa-cher [Ingenieurbüro Gronefeld, GMU69124LN] weitergeleitet wird. Dieser erzeugt hieraus drei Ausgangsfrequenzen bei 400 MHz, 1,2 GHz und 6,9 GHz. Die quenzen bei 400 MHz und 1,2 GHz sind für den späteren Einsatz bei der Fre-quenzstabilisierung der Kalium-Laser gedacht. Das Signal bei 6,9 GHz dient zum Heruntermischen der Schwebungssignale der Rubidium-Laser. Hierzu wird das Signal mit einer Leistung von +13 dBm mit einem Radiofrequenz-Leistungsauf-teiler[Mini-Circuits, ZFRSC-12]gleichmäßig aufgeteilt und an den jeweiligen Mi-scher[Mini-Circuits, ZMX-7GLHR+]geleitet. Die Mischer bilden das Summen- und Differenzsignal aus dem Schwebungssignal und dem Signal des Lokaloszillators bei 6,9 GHz. Über einen nachfolgenden Tiefpassfilter[Mini-Circuits, VLF-490+]

wird die Summen- und Trägerfrequenz herausgefiltert. Das Differenzsignal, wel-ches im Bereich von 0–500 MHz liegt, wird nach einer Verstärkung um +24 dB

[Mini-Circuits, ZFL-500LN+]an einen Frequenz-zu-Spannung-Konverter (s. An-hang A) weitergeleitet. Dieser erzeugt ein dispersives Spannungssignal, welches zu Regelung der Laserfrequenzen genutzt werden kann. Zu Diagnosezwecken werden über Richtkoppler -20 dB der Schwebungssignale [MECA, 780-20-6000]

und der bereits herunter konvertierten Signale[Mini-Circuits, ZFDC-20-4L+] aus-gekoppelt. 100 MHz Oszillators und des Frequenzver-vielfachers.

Für den späteren Einsatz zur Atomin-terferometrie werden phasenstabile Signa-le im Frequenzbereich der Hyperfeinauf-spaltungen von Rubidium und Kalium benötigt. Zur Generierung dieser Signale wird die momentan verwendete 100 MHz Referenz durch eine phasenstabile er-setzt. Diese neue Referenz besteht aus einem Temperatur-stabilisierten Quarz-Oszillator bei 10 MHz, welcher als sta-bile Referenz für lange Zeiten fungiert.

Auf diesen ist ein 100 MHz Oszillator in seiner Phase stabilisiert, welcher für die

Kurzzeitstabilität sorgt. Diese Kombination wurde in einem Gehäuse verbaut, welches für Beschleunigungen bis 50 g zertifiziert wurde [Spectra Dynamics, DLR-100-50g]. Abbildung 2.14 zeigt eine Vergleichsmessung der Phasenstabili-tät sowohl der 100 MHz-Referenz, als auch der Kombination aus Referenz und Vervielfacher. Diese Messung wurde mit einer baugleichen Kombination des CAPRICE-Experiments durchgeführt und in einer anderen Dissertation [23]

ausgewertet.